(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ろう材を介在させてセラミックス基板と金属層とを積層してなる積層体を複数積み重ねた状態で厚さ方向に加圧する加圧装置と、グラファイト層の両面にカーボン層が第２ろう材によりろう付けされてなり、積み重ねられた複数の前記積層体間に配置されるクッションシートとを備え、前記セラミックス基板と前記金属層とをろう付けしてパワーモジュール用基板を製造する装置であって、前記第２ろう材は、前記金属層を形成する材質よりも酸素との親和性が高く、接合時の真空度における蒸発温度が前記第１ろう材の固相線温度よりも低い金属材料を含んだＡｌ系の合金で形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造装置。
【請求項２】
前記第２ろう材は、前記グラファイト層と前記カーボン層との積層面の外周部を避けて中央部に設けられていることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造装置。
【請求項３】
前記第２ろう材に含まれる前記金属材料はマグネシウムであることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造装置。
【請求項４】
前記第２ろう材は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金のろう材であることを特徴とする請求項２記載のパワーモジュール用基板の製造装置。
【請求項５】
第１ろう材を介在させてセラミックス基板と金属層とを積層した積層体と、グラファイト層の両面にカーボン層が第２ろう材によりろう付けされてなるクッションシートとを交互に積層し、これらを厚さ方向に加圧および加熱することにより前記セラミックス基板と前記金属層とをろう付けするパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層を形成する材質よりも酸素との親和性が高く、接合時の真空度における蒸発温度が前記第１ろう材の固相線温度よりも低い金属材料を含んだＡｌ系の合金で形成される第２ろう材を、前記グラファイト層と前記カーボン層との積層面に設けておき、前記セラミックス基板と前記金属層とをろう付けする際の加熱により前記第２ろう材を溶融させることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板の製造装置および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に、回路層となる金属層が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となる金属層が形成され、この放熱層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。
また、特許文献１には、放熱層となる金属層を設けず、セラミックス基板に直接アルミニウム製のヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。
【０００３】
セラミックス基板に回路層又は放熱層となる金属層を積層状態に接合する場合、特許文献２に示されるように、セラミックス基板にろう材を介して金属層を積層した積層体とクッションシートとをその厚さ方向に交互に重ねて、ばね等の付勢力を加えて加圧しながら加熱することにより、セラミックス基板と金属層とをろう付けする方法が知られている。
クッションシートは、セラミックス基板と金属層との接合面に圧力を均等に作用させるために用いられ、グラファイト製クッション層の両面にカーボン製緻密層が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０５３７２号公報
【特許文献２】特開２００８−１９２８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このようなパワーモジュール用基板の製造方法では、金属層をセラミックス基板にろう付けする際に、セラミックス基板と金属層との間から溢れ出たろう材の余剰分が、その表面張力により凝集することによって、金属層の側面を伝ってその表面に回り込むことがある。そして、このように表面に回り込んだろう材上に、さらに電子部品を接合すると、この接合時にろう材の組成成分の一部が溶融して、電子部品と回路層との接合部にボイド等が発生し、これらの接合信頼性を低下させるおそれがある。
さらに、金属層の表面に回り込んだろう材は、見栄えが悪く、外観品質を低減させるという問題もある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、電子部品を接合する際の接合信頼性を低下させたり、外観品質を低下させたりすることのないパワーモジュール用基板の製造装置および製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のパワーモジュール用基板の製造装置は、第１ろう材を介在させてセラミックス基板と金属層とを積層してなる積層体を複数積み重ねた状態で厚さ方向に加圧する加圧装置と、グラファイト層の両面にカーボン層が第２ろう材によりろう付けされてなり、積み重ねられた複数の前記積層体間に配置されるクッションシートとを備え、前記セラミックス基板と前記金属層とをろう付けしてパワーモジュール用基板を製造する装置であって、前記第２ろう材は、前記金属層を形成する材質よりも酸素との親和性が高く、接合時の真空度における蒸発温度が前記第１ろう材の固相線温度よりも低い金属材料を含んだＡｌ系の合金で形成されていることを特徴とする。
【０００８】
第１ろう材の溶融時には第２ろう材に含まれる上記金属材料も溶融しており、その金属材料が金属層の側面に蒸着して酸化することにより酸化膜が形成される。この酸化膜は、金属層の側面における溶融した第１ろう材の濡れ性を低下させる。このように、金属層の側面に酸化膜を形成しながら、または形成した後に、第１ろう材が溶融してセラミックス基板と金属層とがろう付けされるので、溶融した第１ろう材が、金属層の側面を伝ってその表面に回り込むのを防ぐことができる。したがって、回路層と電子部品との接合信頼性を低下させたり、パワーモジュール用基板の外観品質を低下させたりすることを防止することができる。
【０００９】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造装置において、前記第２ろう材は、前記グラファイト層と前記カーボン層との積層面の外周部を避けて中央部に設けられているとよい。
第２ろう材は、グラファイト層とカーボン層との積層面の外周部を避けて中央部に設けられていることから、第２ろう材の溶融時においても、その積層面を越えて外部まで流出することが防止されており、繰り返し使用しても、良好な取扱性を維持することができる。
【００１０】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造装置において、前記第２ろう材に含まれる前記金属材料はマグネシウムであるとよい。
マグネシウム（Ｍｇ）を含んだ第２ろう材を用いることで、第１ろう材が溶融するよりも先にマグネシウムを蒸発させて酸化膜を形成させることができる。
【００１１】
さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造装置において、前記第２ろう材は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金のろう材であるとよい。
第１ろう材よりも第２ろう材の融点を低くすることができるので、第１ろう材の溶融前に確実に酸化膜を形成することができる。
【００１２】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、第１ろう材を介在させてセラミックス基板と金属層とを積層した積層体と、グラファイト層の両面にカーボン層が第２ろう材によりろう付けされてなるクッションシートとを交互に積層し、これらを厚さ方向に加圧および加熱することにより前記セラミックス基板と前記金属層とをろう付けするパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層を形成する材質よりも酸素との親和性が高く、接合時の真空度における蒸発温度が前記第１ろう材の固相線温度よりも低い金属材料を含んだＡｌ系の合金で形成される第２ろう材を、前記グラファイト層と前記カーボン層との積層面に設けておき、前記セラミックス基板と前記金属層とをろう付けする際の加熱により前記第２ろう材を溶融させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ろう材が金属層の側面を伝って表面に回り込むのを防ぐことができるので、金属層と電子部品との接合信頼性を低下させたり、パワーモジュール用基板の外観品質を低下させたりすることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す縦断面図である。
【図２】本発明のパワーモジュール用基板の製造装置を示す側面図である。
【図３】パワーモジュール用基板の製造方法を説明する要部断面図である。
【図４】第２ろう材の積層範囲を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、この発明により製造されるパワーモジュール用基板３を適用したパワーモジュール１を示している。この図１のパワーモジュール１は、セラミックス基板２を有するパワーモジュール用基板３と、パワーモジュール用基板３の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品４と、パワーモジュール用基板３の裏面に接合されたヒートシンク５とから構成される。
【００１６】
パワーモジュール用基板３は、セラミックス基板２の両面に金属層６，７が積層されており、その一方の金属層６が回路層となり、その表面に電子部品４が接合される。また、他方の金属層７は放熱層とされ、その表面にヒートシンク５が取り付けられる。
【００１７】
セラミックス基板２は、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスにより矩形状に形成され、その厚さは例えば０．６３５ｍｍとされる。
金属層６，７は、いずれも純度９９．９０質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１Ｎ９０（純度９９．９０質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。
このパワーモジュール用基板３は、放熱層となる金属層７に緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属層６よりも肉厚に形成されたものを用いている。
【００１８】
本実施形態のパワーモジュール用基板３においては、例えば、回路層となる金属層６の厚さは０．６ｍｍとされ、放熱層となる金属層７の厚さが１．５ｍｍとされて、いずれも矩形状に形成されている。
これら金属層６，７は、プレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板２に接合するか、あるいは、平板状のものをセラミックス基板２に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれの方法も採用することができる。
【００１９】
セラミックス基板２と回路層及び放熱層となる金属層６，７とは、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等の第１ろう材３０ａによりろう付けされている。例えば、Ａｌ−Ｓｉ系合金のろう材としては、Ｓｉを５．５〜１０．５質量％含み、残部がＡｌとされた材質を採用することができ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金のろう材としては、Ｓｉを０．３〜１．７質量％、Ｍｇを０．２〜１．４質量％含み、残部がＡｌとされた材質を採用することができる。これらのろう材の融点は、８６１〜９２７Ｋとされる。
【００２０】
なお、金属層６と電子部品４との接合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｚｎ−Ａｌ系もしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。図中符号８がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品４と金属層６の端子部との間は、アルミニウム等からなるボンディングワイヤ（図示略）により接続される。
【００２１】
一方、ヒートシンク５は、その形状等は特に限定されないが、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、その長さ方向に沿って冷却水を流通させるための多数の流路１６が形成されている。
放熱層となる金属層７とヒートシンク５との間の接合法としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金のろう材によるろう付け法や、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材にフラックスを用いたノコロックろう付け法、金属層およびヒートシンクにＮｉめっきを施し、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｚｎ−ＡｌもしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材によりはんだ付けする方法が用いられ、あるいは、シリコングリースによって密着させた状態でねじによって機械的に固定される。図１では、ろう付けした例を示している。
【００２２】
このパワーモジュール１に用いられているパワーモジュール用基板３の製造装置１００について、本発明に係る実施形態を説明する。
図２に示すように、パワーモジュール用基板の製造装置１００は、ろう材箔（図示略）を介してセラミックス基板２と金属層６，７とを積層してなる積層体３０の両面に配置されるクッションシート４０と、これら積層体３０とクッションシート４０とを積み重ねた状態で、図に矢印Ａで示すように厚さ方向に加圧する加圧装置１１０と、加熱炉（図示略）とを備えた構成とされる。
【００２３】
加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね１１５とを備えている。
固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されている。積層体３０およびクッションシート４０は、ベース板１１１と押圧板１１４との間に交互に積層されて、ばね１１５の付勢力によって積層体３０の厚さ方向（積層方向）に加圧される。なお、ばね１１５の付勢力による積層体３０に対する押圧力は、０．５×１０５〜５×１０５Ｐａである。
【００２４】
クッションシート４０は、加圧装置１１０における付勢力を均一に各積層体３０に対して伝えるために配置される。クッションシート４０は、図３に示すように、第２ろう材４０ａを介して積層されたグラファイト層４１とカーボン層４２とをろう付けすることにより形成されている。
グラファイト層４１は、鱗片状のグラファイト薄膜が複数枚雲母のように貼りついて構成されたものであり、天然黒鉛を酸処理した後にシート状に成形してロール圧延してなるものである。この場合、グラファイト層４１の熱膨張係数は、その表面に平行な方向では、５×１０−６／℃程度であるが、表面に直交する方向（積層方向）では、およそ２×１０−４／℃と大きいものである。
また、カーボン層４２は、薄膜のカーボン板によって構成されており、３０００℃程度の高温で焼成したものである。
【００２５】
つまり、クッションシート４０は、未焼成のグラファイト層４１の両面に、焼成してなるカーボン層４２が配置された構成であり、内部のグラファイト層４１はかさ密度が０．５Ｍｇ／ｍ３以上１．３Ｍｇ／ｍ３以下で軟質であるが、表面のカーボン層４２はかさ密度が１．６Ｍｇ／ｍ３以上１．９Ｍｇ／ｍ３以下の比較的硬質で平滑な平面に形成される。
なお、グラファイト層４１の厚みは０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とされ、両面のカーボン層４２の厚みは０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とされる。また、グラファイト層４１及びカーボン層４２は、３３ｍｍ×６６ｍｍの矩形状に形成されている。
【００２６】
そして、これらグラファイト層４１とカーボン層４２とのろう付けに用いられる第２ろう材４０ａは、金属層６，７を形成する材質よりも酸素との親和性が高く、接合時の真空度における蒸発温度が、第１ろう材３０ａの固相線温度よりも低い金属材料を含んで形成される。
このような第２ろう材４０ａとしては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金もしくはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金等といったＡｌ系の合金が挙げられる。例えば、Ｓｉを０．４５質量％、Ｍｇを３．５質量％含み、残部をＡｌとするＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金（融点８６６〜９１６Ｋ）や、Ｓｉを０．８質量％、Ｍｇを０．７質量％含み、残部をＡｌとするＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金（融点８８９〜９２７Ｋ）を採用することができる。  
また、第２ろう材４０ａは、厚さが５〜５０μｍとされており、図３及び図４に示すように、グラファイト層４１とカーボン層４２との積層面において、その外周部を避けて中央部に設けられており、第２ろう材４０ａの溶融時に、厚さ方向に加圧されることによって第２ろう材４０ａが押し広げられても、グラファイト層４１とカーボン層４０との積層面を越えて外部まで流出することがないように設定されている。この場合、図４に示すように、グラファイト層４１及びカーボン層４２の長辺寸法をｘ、短辺寸法をｙとして表すと、第２ろう材４０aの寸法は各層よりも小さい長辺０．７〜０．９ｘ、短辺０．７〜０．９ｙに形成されている。
【００２７】
このように形成されたクッションシート４０と積層体３０とを交互に積層し、これらを厚さ方向に保持する加圧装置１１０ごと加熱炉に入れて所定のろう付け温度で加熱することにより、各積層体３０のセラミックス基板２と金属層６，７とをろう付けして、パワーモジュール用基板３を製造することができる。
【００２８】
この際、金属層６，７は、セラミックス基板２の表裏面からそれぞれ立ち上がる側面のみが露出し、この他の表裏面はその全域がセラミックス基板２およびクッションシート４０により覆われている。加熱炉内を加熱する過程において、例えば、第２ろう材４０ａがＡｉ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金からなる場合、金属層６，７よりも酸素との親和性が高く、接合時の真空度（１．０×１０−２〜１０−３Ｐａ）における蒸発温度が第１ろう材３０ａの固相線温度よりも低い金属材料であるマグネシウム（Ｍｇ、真空度１．０×１０−１Ｐａにおける蒸発温度８２３Ｋ）が蒸発して、金属層６，７の各側面に蒸着して酸化することにより酸化膜５０（ＭｇＯ膜）が形成される。そして、金属層６，７の側面に酸化膜５０を形成しながら、または形成した後に、第１ろう材３０ａが溶融することにより、セラミックス基板と金属層６，７とがろう付けされるが、酸化膜５０は、金属層６，７に対する溶融状態の第１ろう材３０ａの濡れ性を低下させるので、セラミックス基板２と金属層６，７との間から溢れ出た第１ろう材３０ａが金属層６，７を伝って、その表面に回り込むのを防止することができる。
したがって、回路層となる金属層６と電子部品４との接合信頼性を低下させたり、パワーモジュール用基板の外観品質を低下させたりすることを防止することができる。さらに、放熱層となる金属層７の側面にも酸化膜５０が形成され、金属層７の表面に第１ろう材３０ａが回り込むのが防止されているので、金属層７とヒートシンク５との接合信頼性も向上させることができる。
【００２９】
また、クッションシート４０は、第２ろう材４０ａによりグラファイト層４１とカーボン層４２とがろう付けされており、取扱性が向上している。第２ろう材４０ａは、セラミックス基板２と金属層６，７との接合時に加熱されて溶融するが、第２ろう材４０ａはグラファイト層４１とカーボン層４２との積層面の外周部を避けて中央部に設けられていることから、その積層面を越えて外部まで流出することが防止されており、繰り返し使用しても、良好な取扱性を維持することができる。
【００３０】
本発明の効果確認のために、上記実施形態の構成を用いて、第１ろう材をＡｌ−Ｓｉ系合金（Ｓｉを７．５質量％含み、残部がＡｌとされる。融点８５０〜９２７Ｋ）、第２ろう材をＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金（Ｓｉを０．４５質量％、Ｍｇを３．５質量％含み、残部がＡｌとされる。融点８６６〜９１６Ｋ）として、パワーモジュール用基板を製造し、評価を行った。
積層体は、板厚０．６３５ｍｍの窒化アルミニウムからなる一辺が３０ｍｍの正方形のセラミックス基板の両側に、２４ｍｍ角の第１ろう材を介して２８ｍｍ角の金属層（回路層の厚み０．６ｍｍ、放熱層の厚み１．５ｍｍ）を配置したものとした。また、クッションシートとしては、第２ろう材によって厚さ１ｍｍのグラファイト層の両側に厚さ１ｍｍのカーボン層をろう付けした３５ｍｍ角のものを用いた。第２ろう材は、グラファイト層及びカーボン層の外周部の幅７ｍｍの領域を避けて２８ｍｍ角の範囲で形成した。そして、各積層体の両面にクッションシートを積層して、加圧装置のベース板と押圧板との間に配置して加圧した状態で、真空度１．０×１０−２〜１０−３Ｐａ、８６６〜９３０Ｋの加熱炉内に３０〜１２０分間装入し、パワーモジュール用基板を製造した。
【００３１】
その結果、パワーモジュール用基板を構成する金属層の側面及び表面に第１ろう材の付着は認められなかった。また、製造したパワーモジュール用基板に電子部品をはんだ付けしたところ、電子部品と回路層との接合部にボイドの発生もなく、接合信頼性の低下も認められなかった。
【００３２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態においては、グラファイト層とカーボン層とを第２ろう材により予めろう付けしたクッションシートを用いたが、最初のパワーモジュール用基板の製造時に、積層体の接合と同時に、クッションシートをろう付けする構成としてもよい。
また、クッションシートは、上記実施形態のように、グラファイト層の両面にそれぞれカーボン層を設けた三層構造のものだけではなく、さらに複数のグラファイト層とカーボン層とを交互に積層して、例えば五層構造等で構成してもよい。また、クッションシートを複数重ねる場合に、全てのクッションシートを同一構成のものとしなくてもよく、グラファイト層の厚いクッションシートや、グラファイト層の薄いクッションシート等が混在していてもよい。
また、上記実施形態では、金属層に純度９９．９０％以上のアルミニウムを用いたが、純度９９％以上のアルミニウム又はアルミニウム合金を用いてもよい。また、回路層及び放熱層となる金属層に同じ材質のものを用いたが、両金属層はこれに限定されるものではなく、回路層及び放熱層を別々の材質としてもよい。例えば、放熱層にアルミニウムを用い、回路層に銅を用いる構成とすることができる。
さらに、上記の実施形態においては、セラミックス基板の両面に回路層及び放熱層となる金属層を積層してパワーモジュール用基板を構成し、その放熱層にヒートシンクを取り付ける構成としていたが、放熱層を設けずにセラミックス基板の裏面に直接ヒートシンクをろう付け等により接合してパワーモジュール用基板を構成してもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１  パワーモジュール
２  セラミックス基板
３  パワーモジュール用基板
４  電子部品
５  ヒートシンク
６，７  金属層
８  はんだ接合層
１６  流路
３０  積層体
３０ａ  第１ろう材
４０  クッションシート
４０ａ  第２ろう材
４１  グラファイト層
４２  カーボン層
５０  酸化膜
１００  パワーモジュール用基板の製造装置
１１０  加圧装置
１１１  ベース板
１１２  ガイドポスト
１１３  固定板
１１４  押圧板
１１５  ばね
【図１】
0005691580.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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